CN113447698A - 电压测量电路、方法及设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电压测量电路、方法及设备，采用第一耦合器件和第二耦合器件将待测导体电气耦合接入电压测量电路，待测导体与耦合器件之间形成耦合电容，电压测量装置获取参考信号源单独作用于电压测量电路时，分压电容组两端的第一参考分压值进行分析。若第一参考分压值与电压测量装置的参考电压值的比值不满足预设比值范围，即表示此时电压测量装置的电压测量量程(参考电压值)与测量电压值(第一参考分压值)不匹配。此时电压测量装置通过调整分压电容组的电容值，改变第一参考分压值的大小，以使得第一参考分压值与参考电压值相匹配，从而避免电压测量过程中，由于测量量程过大或测量量程过小，而出现的测量结果不准确的问题。

Description

电压测量电路、方法及设备

技术领域

本申请涉及电力测量技术领域，特别是涉及一种电压测量电路、方法及设 备。

背景技术

电压测量在电力系统应用广泛，如继电保护、电能计量、智能设备的控制 以及在线监测过电压等领域。电压测量的准确性、可靠性、便利性和快速性关 乎电能计量、继电保护、电力系统监测诊断、电力系统故障分析等的可靠实施。 目前，电力系统中使用最普遍的电压测量装置就是电磁式电压互感器。

随着国家经济的快速发展和电力系统方面的科技进步，电力生产及容量传 输都大幅提升，电网的运行电压等级也在逐步提高，使得电磁式电压互感器的 缺陷渐渐的暴露出来。一方面，电磁式电压互感器存在体积笨重、价格昂贵、 短路有爆炸危险、在使用时必须防止铁芯饱和、只能测量交流信号、频率低以 及无法测量高频信号等缺点。

另一方面，需要采集电网某点电压数据时，大多采用停电施工，在线路上 挂接电磁式电压互感器，获取所需的电压信息。电磁式电压互感器在安装的时 候，要求将线路金属部分引出，再接入电磁式电压互感器进行电压测量。但在 进行实际电压测量时，较多复杂的环境中经常会遇到无法剥离绝缘层，或是不 便破坏绝缘的情况。

针对上述接触式电压测量方案存在的问题，提出了一种将感应探头固定在 被测导体上形成耦合电容，待测线路与测量装置之间即可通过耦合电容构成测 量回路，从而实现电压测量的非接触式电压测量手段。考虑到耦合的电容大小 和导线绝缘皮材质、厚度、探头材料、工艺等因素息息相关，耦合电容的数值 将在一定的范围内变化。这将导致测量装置采集到的测量电压数值波动较大， 存在短时间内超过测量装置的量程。具体表现为：当探头与待测线路的耦合电 容数值较大，导致测量装置采集到的测量电压显著增大，超过测量装置的量程 后只能按照最大量程计算，导致最终结果计算不正确；当探头与待测线路的耦 合电容数值较小，导致测量装置采集到的测量电压显著降低，此时测量装置的 电压分辨率相对较大，与采集到的较小的测量电压形成测量精度上的矛盾，同 样会导致计算结果不正确。因此，传统的非接触式电压测量方案具有测量结果 准确性低的问题。

发明内容

基于此，有必要针对传统的非接触式电压测量方案测量结果准确性低的问 题，提供一种电压测量电路、方法及设备。

一种电压测量电路，包括：第一耦合器件；第二耦合器件，用于与所述第 一耦合器件一起将待测导体电气耦合接入电压测量电路；分压电容组，所述第 一耦合器件连接所述分压电容组的第一端；参考信号源，所述分压电容组的第 二端连接所述参考信号源的第一端，所述参考信号源的第二端连接所述第二耦 合器件，所述参考信号源的电压频率与待测导体的电压频率不同；电压测量装 置，所述分压电容组的第一端连接所述电压测量装置的第一端，所述分压电容 组的第二端连接所述电压测量装置的第二端，用于当所述参考信号源单独作用 于电压测量电路，所述分压电容组两端的第一参考分压值与所述电压测量装置 的参考电压值的比值不满足预设比值范围时，调整所述分压电容组的电容值， 直至所述比值满足预设比值范围时进行待测导体的电压测量。

一种基于上述电压测量电路的电压测量方法，包括：获取所述参考信号源 单独作用于电压测量电路时，所述分压电容组两端的第一参考分压值；判断所 述第一参考分压值与所述电压测量装置的参考电压值的比值是否满足预设比值 范围；当所述比值不满足预设比值范围时，调整所述分压电容组的电容值，直 至所述比值满足预设比值范围时进行待测导体的电压测量。

一种电压测量设备，包括上述的电压测量电路，所述电压测量装置用于根 据上述的方法对待测导体进行电压测量。

上述电压测量电路、方法及设备，采用第一耦合器件和第二耦合器件将待 测导体电气耦合接入电压测量电路，待测导体与耦合器件之间形成耦合电容， 电压测量装置获取参考信号源单独作用于电压测量电路时，分压电容组两端的 第一参考分压值进行分析。若第一参考分压值与电压测量装置的参考电压值的 比值不满足预设比值范围，即表示此时电压测量装置的电压测量量程(参考电 压值)与测量电压值(第一参考分压值)不匹配。此时电压测量装置通过调整 分压电容组的电容值，改变第一参考分压值的大小，以使得第一参考分压值与 参考电压值相匹配，从而避免电压测量过程中，由于测量量程过大或测量量程 过小，而出现的测量结果不准确的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施 例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中电压测量电路结构示意图；

图2为另一实施例中电压测量电路结构示意图；

图3为一实施例中分压电容组结构示意图；

图4为一实施例中电压测量电路等效示意图；

图5为另一实施例中电压测量电路等效示意图；

图6为一实施例中电压测量电路的参考电压信号源短路结构示意图；

图7为一实施例中电压测量电路的待测导体短路结构示意图；

图8为一实施例中电压测量电路的阻抗等效示意图；

图9为另一实施例中电压测量电路的阻抗等效示意图；

图10为一实施例中电压测量电路接入待测导体的结构示意图；

图11为又一实施例中电压测量电路等效示意图；

图12为再一实施例中电压测量电路等效示意图；

图13为另一实施例中电压测量电路接入待测导体的结构示意图；

图14为一实施例中电压测量电路等效示意图；

图15为一实施例中电压测量方法流程示意图；

图16为另一实施例中电压测量方法流程示意图；

图17为又一实施例中电压测量方法流程示意图；

图18为一实施例中中心频率示意图；

图19为一实施例中中心频率搜索过程电压幅值示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。 附图中给出了本申请的较佳的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来 实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对 本申请的公开内容的理解更加透彻全面。

请参阅图1，一种电压测量电路，包括：第一耦合器件10；第二耦合器件 20，用于与第一耦合器件10一起将待测导体电气耦合接入电压测量电路；分压 电容组30，第一耦合器件10连接分压电容组30的第一端；参考信号源40，分 压电容组30的第二端连接参考信号源40的第一端，参考信号源40的第二端连 接第二耦合器件20，参考信号源40的电压频率与待测导体的电压频率不同；电 压测量装置50，分压电容组30的第一端连接电压测量装置50的第一端，分压 电容组30的第二端连接电压测量装置50的第二端，用于当参考信号源40单独作用于电压测量电路，分压电容组30两端的第一参考分压值与电压测量装置50 的参考电压值的比值不满足预设比值范围时，调整分压电容组30的电容值，直 至比值满足预设比值范围时进行待测导体的电压测量。

具体地，分压电容组30即为电容大小可调节的电容分压器件。本实施例的 电压测量方式，采用第一耦合器件10和第二耦合器件20将待测导体耦合接入， 形成一个等效闭合回路。耦合接入指的是在接入待测导体的过程中，各耦合器 件与待测导体之间仅是贴附设置(中间仍存在绝缘层)，并不需要将待测导体的 外部绝缘层剥离，此时各耦合器件通过寄生电容和待测导体形成电气耦合，待 测导体与耦合器件之间将会形成耦合电容，从而实现一种非侵入式的电压测量 方案。

在工程实际中，待测导体通过第一耦合器件10和第二耦合器件20接入电 压测量电路时，待测导体与耦合器件之间形成的耦合电容大小将会在一定范围 内变化，这将导致采集到参考信号源40单独作用于电压测量电路时的第一参考 分压值变化。电压测量装置50的测量量程(具体可理解为电压测量装置50中 具备电压采集功能的器件的测量量程，如模数转换器)一般是不可更改的，假 设一个12位的电压测量装置50其基准电压为3.6V，那么该电压测量装置50的 满偏量程即为3.6V。因为二进制数111111111111等于4095，也就是说该电压 测量装置50输出最大的数为4095。当采集电压为0V的时候，电压测量装置50 输出为0，当采集电压为3.6V的时候，电压测量装置50满偏，电压测量装置 50的输出为4095。该电压测量装置50的电压分辨率为3.6/4095＝8.79*10^-4。当 采集到第一参考分压值的实际数值大于3.6V时，电压测量装置50的输出只能 是4095，因此后续的处理电路会认为采集到第一参考分压值为3.6V，导致最终 待测导体的计算结果不准确。

另一方面，当第一参考分压值较小，将会导致第一参考分压值的数值波动 很小。如果前后两次第一参考分压值的变化小于电压测量装置50的电压分辨率， 将会导致电压测量装置50两次输出的数一样，这样一来尽管第一参考分压值的 真实值已经改变，但是后续的处理电路依旧会认为其不变，从而导致待测导体 的电压计算出现误差。因此，本实施例的方案，通过控制接入电压测量电路的 分压电容组30的电容值，改变实际测量得到的第一参考分压值的大小，使得第 一参考分压值与电压测量装置50的参考电压值处于预设比值范围内，保证较小 的第一参考分压值变化也能够检测得到的同时，还能避免出现电压测量装置50 满偏时，输出的第一参考分压值不准确的问题。

应当指出的是，预设比值范围的大小并不是唯一的，例如，在一个实施例 中，可将预设比值范围设置为0.5-0.9，也即，只要参考信号源40单独作用于 电压测量电路，分压电容组30两端的第一参考分压值与电压测量装置50的参 考电压值的比值处于0.5-0.9之间，均保证此时采集得到的第一参考分压值的 准确性。进一步地，在一个较佳的实施例中，可将预设比值范围设置为0.6-0.8。

可以理解，在实际测量过程中，第一耦合器件10与第二耦合器件20将待 测导体耦合接入的方式并不是唯一的，根据实际测量的待测导体种类不同，第 一耦合器件10与第二耦合器件20一起将待测导体接入的方式也会有所区别。 例如，在一个实施例中，可以是第一耦合器件10、第二耦合器件20均与待测导 体之间电气耦合，第一耦合器件10与第二耦合器件20均未直接接触待测导体。 在另一个实施例中，还可以是第一耦合器件10与待测导体之间电气耦合，第一 耦合器件10未直接接触待测导体，而第二耦合器件20则与地线等直接有金属 接触。

应当指出的是，第一耦合器件10以及第二耦合器件20的具体形式并不是 唯一的，在一个较为详细的实施例中，当对导线进行电压测量时，可将第一耦 合器件10以及第二耦合器件20设置为圆环型薄片，套接到导线的绝缘层外表 面，实现与导线的电气耦合。在另一个实施例中，当对开关柜、配电房、变压 器等内部的带电导体进行测量时，还可以是将第一耦合器件10以及第二耦合器 件20设计为矩形薄片等，只要能够与待测导体实现电气耦合均可。

进一步地，在一个实施例中，第一耦合器件10与第二耦合器件20均为金 属耦合器件，更为具体地，第一耦合器件10和第二耦合器件20均可采用导电 性能较优的铜箔，利用其优异的延展性，可将第一耦合器件10与第二耦合器件 20设置为圆环型薄片等不同形状，便于实现与不同待测导体的电气耦合。

本实施例的方案，采用非接触式方式测量待测导体电压，整个测量过程无 需破坏导线绝缘，设备的安装、使用及拆除无需停电操作，因此可以以较低的 成本布设大量的测量点，具备经济性、安全性和高精度，对实现数字电网的“全 面可观、精确可测、高度可控”具有重要意义。

进一步地，在一个实施例中，请结合参阅图2，电压测量电路还包括屏蔽罩60，其中，参考信号源40、分压电容组30以及电压测量装置50均设置于屏蔽 罩60的内部，通过屏蔽罩60引出第一耦合器件10以及第二耦合器件20，利用 第一耦合器件10和第二耦合器件20将待测导体电气耦合接入，进而可实现待 测导体的电压测量操作。本实施例的方案，通过屏蔽罩60的设置，可有效提高 电压测量电路的工作可靠性，避免电磁干扰影响电压测量结果。

分压电容组30的具体结构并不是唯一的，只要能够实现电容值的调整均可， 例如，在一个实施例中，请结合参阅图3，分压电容组30包括多个分压电容31 和与分压电容31相同数量的开关器件32，各分压电容31的第一端相互连接且 公共端作为分压电容组30的第一端，各分压电容31的第二端分别对应连接一 开关器件32的第一端，各开关器件32的第二端相互连接且公共端作为分压电 容组30的第二端，各开关器件32的控制端分别连接电压测量装置50。

具体地，本实施例的方案，采用多个分压电容31并联的形式，通过控制不 同数量或者不同种类的分压电容31接入电路，即可实现分压电容组30的电容 值调整，具有结构简单和容易实现的优点。且本实施例的方案中，不同分压电 容31是否接入电压测量电路，由与之相连的开关器件32实现，每一分压电容 31对应的支路上均对应设置有一个开关器件32，各个开关器件32的控制端连 接至电压测量装置50，通过电压测量装置50来控制不同开关器件32的通断， 从而实现不同分压电容31的接入控制。

可以理解，各个分压电容31的电容值可以设置为相同，也可设置为不完全 相同，只要能够通过接入不同数量和/或种类的分压电容31，达到电容值调整的 目的均可。例如，在一个实施例中，所有分压电容31的电容值均设计相同，此 时只需要增加开关器件32的导通数量，即可增大分压电容组30的电容值，通 过降低开关器件32的导通数量，即可减小分压电容组30的电容值。在另一个 实施例中，还可以是将各个分压电容31的电容值设置为不同大小，例如各个分 压电容31的电容值呈等差或者等比数列排列的方式。

请结合参阅图2，在一个实施例中，电压测量装置50包括放大器51、模数 转换器52、处理器53和显示器54，放大器51的正向输入端连接分压电容组30 的第一端，放大器51的反向输入端连接分压电容组30的第二端，放大器51的 输出端连接模数转换器52，模数转换器52连接处理器53，处理器53连接显示 器54。

具体地，本实施例的方案中，电压测量装置50包括了放大器51、模数转换 器52、处理器53和显示器54几部分，在对待测导体进行电压测量时，分压电 容组30两端的信号(一般为参考信号源40和待测导体同时作用于电压测量电 路时的混叠信号)首先经过放大器51进行放大处理之后，通过模数转换器52 进行采样，并输送至处理装置进行进一步地分析处理，得到最终的测量结果并 在显示器54上进行显示，完成待测导体的电压测量操作。

可以理解，在该实施例中，由于电压测量装置50中用来进行电压采样的部 件的模数转换器52，对应的电压测量装置50的参考电压值即为模数转换器52 的参考电压值。为了便于理解本申请的各个实施例，本申请中的参考电压值均 可认为是电压测量装置50中模数转换器52的参考电压值。

应当指出的是，在一个实施例中，为了进一步提高电压采集的准确、可靠 性，放大器51采用高精度运算放大器来实现，例如仪表放大器(INA， Instrumental Amplifier)。

可以理解，在一个实施例中，处理器53应当具备滤波功能或者傅里叶变换 功能，以便于根据采集的分压电容组30两端的混叠信号，解耦得到参考信号源 40单独作用下的电压信号以及待测导体单独作用时的电压信号。

进一步地，在一个实施例中，电压测量电路还包括供电电源，其中放大器 51、模数转换器52、处理器53和显示器54分别与供电电源连接，利用供电电 源为放大器51、模数转换器52、处理器53和显示器54进行供电。例如，在一 个实施例中，可通过锂电池同时对放大器51、模数转换器52、处理器53和显 示器54进行供电。

更进一步地，在一个实施例中，为了保证测量的准确性，模数转换器52、 处理器53和显示器54均做接地处理，只需通过参考信号源40的第二端连接第 二耦合器件20，实现待测导体的电气耦合接入即可。

本申请所提供的电压测量电路，不仅可实现输电线的电压测量，还可以实 现开关柜、配电房、变压器等内部的带电导体测量，根据测量对象的不同，第 一耦合器件10以及第二耦合器件20的连接方式也会有所区别。例如，在一个 实施例中，当电压测量电路用于测量相电压时，第一耦合器件10贴附于待测相 线的外表面，第二耦合器件20贴附于零线的外表面；当电压测量电路用于测量 任意两相之间的线电压时，第一耦合器件10贴附于第一相线的外表面，第二耦 合器件20贴附于第二相线的外表面，当电压测量电路用于测量开关柜、配电房 或变压器的带电导体的电压时，第一耦合器件10贴附于带电导体的外表面，第二耦合器件20接地。

具体地，当电压测量电路用于测量任一相线的相电压时，考虑到零线的电 位通常为0，因此，从电路的角度出发，当第一耦合器件10以及第二耦合器件 20分别接入时，其电路图可等效为图4所示。第一耦合器件10将会贴附于所需 测量的相线的外表面，而第二耦合器件20则直接贴附于零线的外表面，其中， 待测导体(也即相线)的电压为U_s，实际为一种频率为f_s的正弦信号，耦合电 容C₀即表示相线与第一耦合器件10之间的耦合电容，耦合电容C₂即表示零线与 第二耦合器件20之间的耦合电容，U_r则表示参考信号源40的电压值，实际为一 种频率为f_r的正弦信号，f_r与f_s不相同。在实际测试过程中，考虑到零线的电 位通常为0，参考信号源40与待测导体的电压实际是共地的，故从电路的角度 出发，可将图4所示电路进一步简化等效为图5所示。

根据电路叠加定理可知，若线性交流电路中有多个频率各不相同的正弦交 流电源共同作用，达到稳定状态后，通过电路中任一元件的电压等于各电源单 独作用时在该元件产生的电压之和。因此，可将图5所示的电路解耦为f_s和f_r两种频率，分别在工频f_s和参考频率f_r下观测电路。当待测导体的电压U_s单独 存在时，参考信号源40可作短路处理。当参考信号源40单独存在时，待测导 体的电压U_s可作短路处理。在工频f_s下，分压电容组30上的电压检测结果为 V_s，也即得到测量分压值；在参考频率f_r下，分压电容组30上的电压检测结果为V_r，也即得到参考分压值。此时，工频f_s下观测到的电路如图6所示，在参 考频率f_r下观测到的电路如图7所示。

根据电容和频率的关系，在工频f_s下，耦合电容C₀、分压电容组30(电容 值用C₁表示)以及耦合电容C₂的阻抗分别可以表达为：

进一步地，工频f_s下的等效阻抗电路如图8所示，此时根据电路的分压公 式，分压电容组30两端的测量分压值V_s可以表达为：

最终将Z_s0、Z_s1以及Z_s2的表达式代入，即可得到：

与工频f_s相同的方法，可得到在参考频率f_r下，耦合电容C₀、分压电容组30以及耦合电容C₂的阻抗分别可以表达为：

此时对应的工频f_r下的等效电路如图9所示，此时根据电路的分压公式， 分压电容组30两端的参考分压值V_r可以表达为：

最终将Z_r0、Z_r1以及Z_r2的表达式代入，即可得到：

结合V_r以及V_s的最终表达式可知，

在实际电路检测中，V_r以及V_s均 可以通过电路分析计算检测得到，而U_r则为参考信号源40的电压，其具体数值 在选定参考信号源40时就已经确定得到，因此，根据表达式

将可直 接得到待测导体的电压U_s的大小。

进一步地，在一个实施例中，结合A相与B向之间的线电压U_AB测量进行解 释说明。请结合参阅图10，此时检测方法与上述相电压的测量相类似，所不同 之处在于第一耦合器件10与第二耦合器件20分别贴附于A相输电线的外表面 以及B相输电线的外表面，此时将B相输电线作为参考(上述相电压测量将零 线电压作为参考)，对应的待测导体的电压表示为U_AB。

当待测导体与耦合器件之间形成耦合电容时，图10所示的测量原理图可等 效为图11所示电路图。进一步地，由于在电力系统中，A相相电压U_A和B相相 电压U_B是共用一个中性点的。因此，A相和B相之间的线电压U_AB可以表达为： U_AB＝U_A-U_B，故此可进一步简化图11所示电路图，得到图12所示的等效电路图。 其中，待测导体的电压(也即线电压)为U_AB，实际为一种频率为f_AB的正弦信号， 耦合电容C₃即表示A相输电线与第一耦合器件10之间的耦合电容，耦合电容C₄即表示B相输电线与第二耦合器件20之间的耦合电容，U_r则表示参考信号源 40的电压，实际为一种频率为f_r的正弦信号。根据与上述实施例中相电压测量 的相同分析方法，最终同样可得到测量分压值V_AB与参考分压V_r之间的比值

最终够得到

电压测量装置50只需要通过采集得到的 混叠信号分析得到测量分压值V_AB与参考分压V_r，结合参考信号源40的电压，得 到所测量的线电压U_AB的大小。

在另一个实施例中，当在开关柜等场景中进行电压测量时，将第二耦合器 件20直接接地，具体可以是直接接地线，或者开关柜等设备的外壳(开关柜等 自身外壳可以提供接地点)。此时第二耦合器件20处也就没有了耦合电容的存 在，此时对应的等效电路可为图13以及图14所示，在图14所示的简化等效电 路图中，采用与上述相电压类似的解耦分析方式，在待测导体的电压频率f_s下， 可以得到测量分压值V_s为：

而在参考电压源的频率f_r下，参考分压值V_r则为：

此时同样有

采用相同的方法在得到参考分压值V_r以及测量分压值V_s的大小之后，同样可实现待测导体的电压检测操作。

上述电压测量电路，采用第一耦合器件10和第二耦合器件20将待测导体 电气耦合接入电压测量电路，待测导体与耦合器件之间形成耦合电容，电压测 量装置50获取参考信号源40单独作用于电压测量电路时，分压电容组30两端 的第一参考分压值进行分析。若第一参考分压值与电压测量装置50的参考电压 值的比值不满足预设比值范围，即表示此时电压测量装置50的电压测量量程(参 考电压值)与测量电压值(第一参考分压值)不匹配。此时电压测量装置50通 过调整分压电容组30的电容值，改变第一参考分压值的大小，以使得第一参考 分压值与参考电压值相匹配，从而避免电压测量过程中，由于测量量程过大或 测量量程过小，而出现的测量结果不准确的问题。

请参阅图15，一种基于上述电压测量电路的电压测量方法，包括步骤S300、 步骤S400和步骤S500。

步骤S300，获取参考信号源单独作用于电压测量电路时，分压电容组两端 的第一参考分压值。步骤S400，判断第一参考分压值与电压测量装置的参考电 压值的比值是否满足预设比值范围。步骤S500，当比值不满足预设比值范围时， 调整分压电容组的电容值，直至比值满足预设比值范围时进行待测导体的电压 测量。

具体地，参考信号源单独作用于电压测量电路并非测量电路仅有参考信号 源存在，而是参考信号源与待测导体的电压同时存在时，基于电路叠加原理得 到参考信号源下对应的第一参考分压值。电压测量电路如上述各个实施例以及 附图所示，本实施例的电压测量方式，采用第一耦合器件10和第二耦合器件20 将待测导体耦合接入，形成一个等效闭合回路。耦合接入指的是在接入待测导 体的过程中，各耦合器件与待测导体之间仅是贴附设置(中间仍存在绝缘层)， 并不需要将待测导体的外部绝缘层剥离，此时各耦合器件通过寄生电容和待测 导体形成电气耦合，待测导体与耦合器件之间将会形成耦合电容，从而实现一 种非侵入式的电压测量方案。

基于上述分析，第一参考分压值与参考电压值的比值不满足预设比值范围 时，会影响测量结果，本实施例的电压测量方法，首先对参考信号源40单独作 用于电压测量电路时，分压电容组30两端的第一参考分压值进行分析，在第一 参考分压值与电压测量装置50的参考电压值的比值不满足预设比值范围的情况 下，通过对分压电容组30的电容值进行调整，以使得最终获取的第一参考分压 值与参考电压值的比值位于预设比值范围之后，才会进行进一步地电压测量操 作，从而保证最终测量结果的准确性。

应当指出的是，预设比值范围的大小并不是唯一的，例如，在一个实施例 中，可将预设比值范围设置为0.5-0.9，也即，只要参考信号源40单独作用于 电压测量电路，分压电容组30两端的第一参考分压值与电压测量装置50的参 考电压值的比值处于0.5-0.9之间，均保证此时采集得到的第一参考分压值的 准确性。进一步地，在一个较佳的实施例中，可将预设比值范围设置为0.6-0.8。

请参阅图16，在一个实施例中，步骤S400之后，该方法还包括步骤S600 和步骤S700。

步骤S600，当比值满足预设比值范围时，获取待测导体单独作用于电压测 量电路时，分压电容组两端的测量分压值。

步骤S700，根据参考信号源的电压值、第一参考分压值和测量分压值得到 待测导体的电压。

具体地，在电压测量装置50(具体为电压测量装置50中的处理器53)对 第一参考分压值与参考电压值的比值进行比较分析时，还会出现第一参考分压 值与参考电压值的比值满足预设比值范围的情况。在该种情况下，表征此时所 获取的第一参考分压值与电压测量装置50(模数转换器52)的测量量程相匹配， 此时测量得到的第一参考分压值为精确测量得到的电压值。故此时不需要对分 压电容组30的电容值进行调整，只需根据该第一参考分压值即可实现待测导体 的电压测量操作。如上述实施例所示，可根据

进行分析，得到待测导 体的电压值U_s，参考电压源的电压值U_r为确定值，故此时电压测量装置50只需 进一步分析得到测量分压值V_s的大小，结合

直接得到最终的测量结果，并输出至电压测量装置50的显示器54进行显示。应当指出的是，在一个实施 例中，显示器54还能够将测量分压值V_s、参考电压源的电压值U_r以及第一参考 分压值V_r的大小进行显示。

在一个实施例中，调整分压电容组30的电容值，直至比值满足预设比值范 围时进行待测导体的电压测量的步骤，包括：当比值大于预设比值范围的最大 值时，增大分压电容组30的电容值，并返回获取参考信号源40单独作用于电 压测量电路时，分压电容组30两端的第一参考分压值的步骤；当比值小于预设 比值范围的最小值时，减小分压电容组30的电容值，并返回获取参考信号源40 单独作用于电压测量电路时，分压电容组30两端的第一参考分压值的步骤；当 调整电容值使得比值满足预设比值范围时，获取待测导体单独作用于电压测量 电路时，分压电容组30两端的测量分压值，以及获取参考信号源40单独作用于电压测量电路时，分压电容组30两端的第二参考分压值；根据参考信号源40 的电压值、第二参考分压值和测量分压值得到待测导体的电压。

本实施例中，在对分压电容组30的电容值进行调整时，具体包括两种情况， 其一为比值大于预设比值范围的最大值，此时表征模数转换器52的测量量程过 小，不满足第一参考分压值的测量需求，相应的通过调大分压电容组30的电压 值，以使得测量得到的第一参考分压值减小，最终使得第一参考分压值与参考 电容值的比值处于预设比值范围之内，实现参考分压值的准确测量。其二为比 值小于预设比值范围的最小值，此时表征模数转换器52的测量精度过大，此时 则通过调小分压电容组30的电容值，以使得测量得到的第一参考分压值增大， 最终使得第一参考分压值与参考电压值的比值处于预设比值范围之内，实现参 考分压值的准确测量。

通过对分压电容的电容值进行不断调整，最终将会使得第一参考分压值与 参考电压值的比值处于预设比值范围之内，此时表征能够实现准确的参考分压 值测量。故此时将会结合与上述实施例中相同的测量原理，根据

直接 得到最终的测量结果，并输出至电压测量装置50的显示器54进行显示。可以 理解，由于此时分压电容组30的电容值发生变化，当参考信号源40单独作用 于电压测量电路时，分压电容两端的电压值也会相应发生变化，也即此时获取 的参考分压值为第二参考分压值。

应当指出的是，分压电容组30的电容值的调节方式并不是唯一的，根据分 压电容的结构不同，具体地调节方式也会有所区别。在一个实施例中，以分压 电容组30包括多个分压电容和与分压电容相同数量的开关器件32，且各个分压 电容之间的电容值呈等比关系为例，进行详细的解释说明。

请结合参阅图3，分别对各个分压电容31对应的开关器件32进行命名为 s₁，s₂，…，s_n，电容值最小分压电容31对应开关器件32为s₁，电容值最大分 压电容31对应的开关器件32为s_n。电容值最小的分压电容31的电容值为C_e， 则第i个分压电容31的电容值为2^i-1C_e。在进行电压测量时，首先开启开关器件 s_n进行测量(也即首先以最大分压电容31接入测量电路)，此时对应的分压电容 组30电容值为2^n-1C_e。若此时获取的第一参考分压值与参考电压值的比值大于 预设比值范围的最大值时，则再开启一个分压电容31对应的开关器件32，具体 可以是电容值仅次于2^n-1C_e的分压电容31(2^n-2C_e对应的分压电容31)，也即再 接入一个分压电容31进行电压测量，实现调大电容值的操作。而当获取的第一 参考分压值与参考电压值的比值小于预设比值范围的最小值时，则需要替换另 一个电容值较小的分压电容31接入电路，实现电容值的调小操作，具体可以是 断开电容值为2^n-1C_e的分压电容31对应的开关器件s_n，导通电容值为2^n-2C_e的 分压电容31对应的开关器件s_n-1。

在具体的处理器53逻辑中，可通过下述方式实现。用0-1变量去描述开关 器件s_i的状态：

结合开关的状态，整个分压电容组30的等效电容C_sum可以描述为：

计算得到的参考信号源40单独作用于电压测量电路，分压电容组30两端 的第一参考分压值V_r表达式为：

其中C₀是C₂都是耦合电容，考虑到电容C₀和C₂都是pf级别，C_e为nf级别， C_e远大于C₀和C₂。因此下式成立：

进一步可得到参考信号源40单独作用于电压测量电路，分压电容组30两 端的第一参考分压值V_r：

假定模数转换器52的参考电压值为U_ref，比例参数α为V_r和参考电压值的 比值，也即第一参考分压值与参考电压值的比值，表达式为：

因此自适应地控制开关器件32，改变分压电容组30的电压值的逻辑流程为：

第一步：开关s₁到s_n都断开，初始化m＝n，也即首先所有开关器件32处于 断开状态，首先接入电容值最大的分压电容进行测量。

第二步：闭合开关s_m，开关s₁到s_m-1断开。

第三步：处理器53根据模数转换器52采集的信号得到第一参考分压值V_r和模数转换器52的参考电压值U_ref作比较，得到比例参数α。

第四步：判断第一参考电压值是否处于满量程的0.6倍到0.8倍之间，即 处理器53判断比例参数α数值是否处于0.6到0.8之间。如果是，则根据第 一参考电压值实现待测导体的电压测量；如果不是，则通过改变分压电容组30 对应的电路拓扑做进一步的控制，也即需要进一步调整电容值。

第五步：如果参数α数值大于0.8，闭合开关s_m-1，即增大电容值；如果参 数α数值小于0.6，断开开关s_m，然后闭合开关s_m-1，即减小电容值。

第六步，判断m是否大于1，如果是，处理器53执行赋值命令，令m＝m-1， 返回第三步；如果m等于1，则表征所有开关器件32的状态已经确定，因此结 束控制流程。

请参阅图17，在一个实施例中，步骤S300之前，该方法还包括步骤S100 和步骤S200。

步骤S100，当参考信号源单独作用于电压测量电路时，通过中心频率搜索 得到电压测量电路的中心频率。

步骤S200，将参考信号源的电压频率调整为中心频率。

具体地，当参考信号源40单独存在时，电压测量装置50可以采集到参考 分压值。电压测量装置50一般设计为一个带通滤波器，除了特定频率的电压参 考信号可以通过，其他频率的分量会被截止。如图18所示，f_rset称之为该滤波 电路的中心频率。但是在实际运行中，受电容电阻等电路元件精度的影响，滤 波电路的幅频特性曲线的中心频率并不一定是设计的f_rset。举例说明，假定输入 的电压参考信号设计的频率为210Hz，按照这个设计，滤波电路的中心频率也会 设计为210Hz，由于电路器件影响，最后实际的滤波电路中心频率不一定是210Hz， 而是存在一定的偏差，比如说在212Hz的时候采集电压最大。为了让采集到的 参考分压值尽量大，需要寻找到该滤波电路的中心频率f_rset。在一定的调整范围内，通过动态调整f_r接近中心频率f_rset，使得采集到的参考分压值尽量大，从而 保证测量结果的准确性。

当一个电路印制完成的时候，中心频率f_rset的值就是固定的。在实际应用的 时候，是不知道中心频率f_rset是多少的，为了得到中心频率f_rset，可以通过中心 频率搜索算法将其找到。中心频率搜索算法如下：

步骤一：获取起始频率f_rstar和终止频率f_rend。考虑电路元件的精度误差，将 起始频率f_rstar设置为0.85倍f_r，终止频率f_rend设置为1.15倍f_r。在其它实施 例中，还可以是其它倍数得到起始频率以及终止频率。

步骤二：计算搜索步长Δf，假定搜索次数为n+1，则搜索步长Δf可以表达 为：

则第i次搜索的信号频率f_ri设置为：f_ri＝f_rstar+(i-1)Δf i＝1,2,...,n+1，不难看出，第1次设定的频率为f_rstar，第n+1次搜索的频率f_rend。

步骤三：假定第i次检测到的电压幅值为V_ri，n+1次搜索形成的数组如下：

[V_r1,V_r2,...,V_ri,...,V_rn,V_rn+1]

步骤四：如图19，可见在区间f_rstar到f_rset，电压幅值单调递增，从区间f_rset到f_rend，电压幅值单调递减。将V_r数组后一个数减去前一个数，结合图19，存 在某一个频率f_rm和f_rm+2满足下面要求：

这个时候，取f_rstar等于f_rm，f_rend等于f_rm+2。

步骤五：判断f_rend-f_rstar是否小于设定的阈值，如果是，则f_rset等于f_rstar， 否则重复步骤二到步骤五。通过中心频率搜索算法，就可以将谐振频率找出来。

在一个实施例中，步骤S300包括：获取参考信号源和待测导体同时作用于 电压测量电路时，分压电容组两端的混叠信号。对混叠信号进行滤波处理或傅 里叶变换处理，得到参考信号源单独作用于电压测量电路时，分压电容组两端 的第一参考分压值。

具体地，混叠信号即为参考信号源40和待测导体同时作用于电压测量电路， 分压电容组30两端检测到的电压信号，具体包括两个不同频率分量的电压信号。 根据电路叠加定理可知，若线性交流电路中有多个频率各不相同的正弦交流电 源共同作用，达到稳定状态后，通过电路中任一元件的电压等于各电源单独作 用时在该元件产生的电压之和。故此，在该实施例中，通过滤波或者傅里叶变 换的方式，可将不同频率分量的电压信号解耦出来，以此得到参考信号源40单 独作用于电压测量电路时，分压电容组30两端的第一参考分压值。

应当指出的是，获取当待测导体单独作用于电压测量电路时，分压电容组 30两端的测量分压值的方式，与上述第一参考分压值的获取方式一致，在此不 再赘述。

上述电压测量方法，采用第一耦合器件10和第二耦合器件20将待测导体 电气耦合接入电压测量电路，待测导体与耦合器件之间形成耦合电容，电压测 量装置50获取参考信号源40单独作用于电压测量电路时，分压电容组30两端 的第一参考分压值进行分析。若第一参考分压值与电压测量装置50的参考电压 值的比值不满足预设比值范围，即表示此时电压测量装置50的电压测量量程(参 考电压值)与测量电压值(第一参考分压值)不匹配。此时电压测量装置50通 过调整分压电容组30的电容值，改变第一参考分压值的大小，以使得第一参考 分压值与参考电压值相匹配，从而避免电压测量过程中，由于测量量程过大或 测量量程过小，而出现的测量结果不准确的问题。

一种电压测量设备，包括上述的电压测量电路，电压测量装置用于根据上 述的方法对待测导体进行电压测量。

具体地，电压测量电路的具体结构如上述各个实施例以及附图所示，分压 电容组30即为电容大小可调节的电容分压器件。本实施例的电压测量方式，采 用第一耦合器件10和第二耦合器件20将待测导体耦合接入，形成一个等效闭 合回路。耦合接入指的是在接入待测导体的过程中，各耦合器件与待测导体之 间仅是贴附设置(中间仍存在绝缘层)，并不需要将待测导体的外部绝缘层剥离， 此时各耦合器件通过寄生电容和待测导体形成电气耦合，待测导体与耦合器件 之间将会形成耦合电容，从而实现一种非侵入式的电压测量方案。

本实施例的电压测量方法，首先对参考信号源40单独作用于电压测量电路 时，分压电容组30两端的第一参考分压值进行分析，在第一参考分压值与电压 测量装置50的参考电压值的比值不满足预设比值范围的情况下，通过对分压电 容组30的电容值进行调整，以使得最终获取的第一参考分压值与参考电压值的 比值位于预设比值范围之后，才会进行进一步地电压测量操作，从而保证最终 测量结果的准确性。

上述电压测量设备，采用第一耦合器件10和第二耦合器件20将待测导体 电气耦合接入电压测量电路，待测导体与耦合器件之间形成耦合电容，电压测 量装置50获取参考信号源40单独作用于电压测量电路时，分压电容组30两端 的第一参考分压值进行分析。若第一参考分压值与电压测量装置50的参考电压 值的比值不满足预设比值范围，即表示此时电压测量装置50的电压测量量程(参 考电压值)与测量电压值(第一参考分压值)不匹配。此时电压测量装置50通 过调整分压电容组30的电容值，改变第一参考分压值的大小，以使得第一参考 分压值与参考电压值相匹配，从而避免电压测量过程中，由于测量量程过大或 测量量程过小，而出现的测量结果不准确的问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对 上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技 术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改 进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权 利要求为准。

Claims (15)

1.一种电压测量电路，其特征在于，包括：

第一耦合器件；

第二耦合器件，用于与所述第一耦合器件一起将待测导体电气耦合接入电压测量电路；

分压电容组，所述第一耦合器件连接所述分压电容组的第一端；

参考信号源，所述分压电容组的第二端连接所述参考信号源的第一端，所述参考信号源的第二端连接所述第二耦合器件，所述参考信号源的电压频率与待测导体的电压频率不同；

电压测量装置，所述分压电容组的第一端连接所述电压测量装置的第一端，所述分压电容组的第二端连接所述电压测量装置的第二端，用于当所述参考信号源单独作用于电压测量电路，所述分压电容组两端的第一参考分压值与所述电压测量装置的参考电压值的比值不满足预设比值范围时，调整所述分压电容组的电容值，直至所述比值满足预设比值范围时进行待测导体的电压测量。

2.根据权利要求1所述的电压测量电路，其特征在于，所述分压电容组包括多个分压电容和与所述分压电容相同数量的开关器件，各所述分压电容的第一端相互连接且公共端作为所述分压电容组的第一端，各所述分压电容的第二端分别对应连接一所述开关器件的第一端，各所述开关器件的第二端相互连接且公共端作为所述分压电容组的第二端，各所述开关器件的控制端分别连接所述电压测量装置。

3.根据权利要求2所述的电压测量电路，其特征在于，各所述分压电容的电容值不完全相等。

4.根据权利要求3所述的电压测量电路，其特征在于，各所述分压电容的电容值依次呈等比数列。

5.根据权利要求1所述的电压测量电路，其特征在于，所述电压测量装置包括放大器、模数转换器、处理器和显示器，所述放大器的正向输入端连接所述分压电容组的第一端，所述放大器的反向输入端连接所述分压电容组的第二端，所述放大器的输出端连接所述模数转换器，所述模数转换器连接所述处理器，所述处理器连接所述显示器。

6.根据权利要求1所述的电压测量电路，其特征在于，还包括屏蔽罩，所述分压电容组、所述电压测量装置和所述参考信号源均设置于所述屏蔽罩的内部。

7.根据权利要求1-6任一项所述的电压测量电路，其特征在于，当所述电压测量电路用于测量相电压时，所述第一耦合器件贴附于待测相线的外表面，所述第二耦合器件贴附于零线的外表面；当所述电压测量电路用于测量任意两相之间的线电压时，所述第一耦合器件贴附于第一相线的外表面，所述第二耦合器件贴附于第二相线的外表面；当所述电压测量电路用于测量开关柜、配电房或变压器的带电导体的电压时，所述第一耦合器件贴附于带电导体的外表面，所述第二耦合器件接地。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述电压测量电路的电压测量方法，其特征在于，包括：

获取所述参考信号源单独作用于电压测量电路时，所述分压电容组两端的第一参考分压值；

判断所述第一参考分压值与所述电压测量装置的参考电压值的比值是否满足预设比值范围；

当所述比值不满足预设比值范围时，调整所述分压电容组的电容值，直至所述比值满足预设比值范围时进行待测导体的电压测量。

9.根据权利要求8所述的电压测量方法，其特征在于，所述判断所述第一参考分压值与所述电压测量装置的参考电压值的比值是否满足预设比值范围的步骤之后，还包括：

当所述比值满足预设比值范围时，获取待测导体单独作用于电压测量电路时，所述分压电容组两端的测量分压值；

根据所述参考信号源的电压值、所述第一参考分压值和所述测量分压值得到待测导体的电压。

10.根据权利要求8所述的电压测量方法，其特征在于，所述调整所述分压电容组的电容值，直至所述比值满足预设比值范围时进行待测导体的电压测量的步骤，包括：

当所述比值大于所述预设比值范围的最大值时，增大所述分压电容组的电容值，并返回所述获取所述参考信号源单独作用于电压测量电路时，所述分压电容组两端的第一参考分压值的步骤；

当所述比值小于所述预设比值范围的最小值时，减小所述分压电容组的电容值，并返回所述获取所述参考信号源单独作用于电压测量电路时，所述分压电容组两端的第一参考分压值的步骤；

当调整电容值使得所述比值满足所述预设比值范围时，获取待测导体单独作用于电压测量电路时，所述分压电容组两端的测量分压值，以及获取所述参考信号源单独作用于电压测量电路时，所述分压电容组两端的第二参考分压值；

根据所述参考信号源的电压值、所述第二参考分压值和所述测量分压值得到待测导体的电压。

11.根据权利要求10所述的电压测量方法，其特征在于，所述根据所述参考信号源的电压值、所述第二参考分压值和所述测量分压值得到待测导体的电压，包括：

其中，U_s为待测导体的电压，U_r为参考信号源的电压值，V_r为第二参考分压值，V_s为待测导体的测量分压值。

12.根据权利要求8所述的电压测量方法，其特征在于，所述获取所述参考信号源单独作用于电压测量电路时，所述分压电容组两端的第一参考分压值的步骤之前，还包括：

当所述参考信号源单独作用于电压测量电路时，通过中心频率搜索得到电压测量电路的中心频率；

将所述参考信号源的电压频率调整为所述中心频率。

13.根据权利要求12所述的电压测量方法，其特征在于，所述通过中心频率搜索得到电压测量电路的中心频率的步骤，包括：

获取起始频率和终止频率；

根据预设搜索步长，测量得到所述起始频率和所述终止频率之间不同频率对应的参考分压值；

根据各所述参考分压值重新确定起始频率和终止频率，并返回所述根据预设搜索步长，测量得到所述起始频率和所述终止频率之间不同频率对应的参考分压值的步骤，直至起始频率和终止频率的差值小于预设阈值时，将所述起始频率作为电压测量电路的中心频率。

14.根据权利要求8所述的电压测量方法，其特征在于，所述获取所述参考信号源单独作用于电压测量电路时，所述分压电容组两端的第一参考分压值的步骤，包括：

获取所述参考信号源和待测导体同时作用于电压测量电路时，所述分压电容组两端的混叠信号；

对所述混叠信号进行滤波处理或傅里叶变换处理，得到所述参考信号源单独作用于电压测量电路时，所述分压电容组两端的第一参考分压值。

15.一种电压测量设备，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的电压测量电路，所述电压测量装置用于根据权利要求8-14任一项所述的方法对待测导体进行电压测量。

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